Welches Schädigungspotential haben Fasern in der Technischen Sauberkeit?
Technische Sauberkeit ist ein entscheidender Faktor in der modernen Fertigung, insbesondere in der Automobil- und Elektronikindustrie. Unter Technischer Sauberkeit versteht man die hinreichend geringe Kontamination sauberkeitssensibler technischer Bauteile mit schädlichen Partikeln. Diese Partikel können metallisch, nicht-metallisch oder faserartig sein und die Funktionalität und Lebensdauer von Bauteilen erheblich beeinträchtigen. Insbesondere Fasern sind in der Fertigungsumgebung kaum vermeidbar, z.B. durch Bekleidung der Mitarbeiter in der Fertigung.
Das Schädigungspotential von Fasern wird oft unterschätzt, wobei hier nicht die einzelne Faser, sondern die Gesamtmenge an Fasern kritisch ist. Die Allgegenwärtigkeit von Textilfasern in der Produktion, selbst in Sauber- und Reinräumen, erfordert zielgerichtete Grenzwertdefinitionen und Bewertung, die dem Vorhandensein von Fasern, aber auch dem hohen Aufwand und Kosten zur Vermeidung von Fasern Rechnung zu tragen.
Definition und Arten von Fasern
Fasern sind langgestreckte Partikel, die aus verschiedenen Materialien wie Textilien, Kunststoffen oder mineralischen Stoffen hergestellt werden. Sie unterscheiden sich von anderen Partikeln durch ihre Länge und Flexibilität. In der Technischen Sauberkeit spielen Fasern eine eher untergeordnete Rolle, da sie allgegenwärtig sind und ihr Auftreten kaum kontrollierbar und analytisch schwer bestimmbar ist. Daher werden Fasern heute zwar in Sauberkeitsprüfungen erfasst, aber eher selten reglementiert.
Die einzelne Textilfaser ist in vielen Fällen eher unkritisch, aber die Gesamtmenge der Fasern kann funktionskritisch sein, wenn zu viele Fasern ein Konglomerat bilden und so z.B. enge hydraulische Querschnitte verstopfen können. Aber auch Fasern aus mineralischen Werkstoffen, z.B. Glasfasern, können kritisch sein, da dieses Material aufgrund seiner Härte ähnlich schädlich sein kann wie harte Partikel.
Typisierung und Vermessung von Fasern
Die Typisierung und Vermessung der Fasern erfolgt im Rahmen der Standard-Sauberkeitsprüfung nach VDA 19.1 durch die lichtmikroskopische Analyse der zuvor vom Bauteil extrahierten partikulären Verunreinigungen. Mit Hilfe der Bildverarbeitung spezieller automatischer Mikroskopsysteme können verschiedene Kriterien angewendet werden.
Die VDA 19.1 sieht folgende Kriterien für die Typisierung von Fasern vor:
- gestreckte Länge / maximaler Inkreis > 20 oder
- gestreckte Länge / mittlerer Inkreis > 20
- und Breite gemessen über maximalem Inkreis <= 50 µm
- sowie kein metallischer Glanz
Die Messung der Faserlänge kann nach VDA 19.1 auf zwei Arten erfolgen:
- Länge = Feretmax
- Länge = gestreckte Länge
Ausnahme: Menschliches Haar
Neben Textilfasern ist auch menschliches Haar ein allgegenwärtiges Partikelmaterial, das aufgrund seiner faserigen Form subjektiv den Fasern zugeordnet wird. Menschliche Haare haben jedoch eine Breite von 60 µm - 120 µm und gelten somit nach VDA 19.1 als Partikel und nicht als Faser!
Gesamtfaserlänge - Neu in der VDA 19.1
Neu in der VDA 19.1 wird die Gesamtfaserlänge als neues Faserkriterium aufgenommen. Dieses Kriterium kann in Fällen, in denen einzelne Fasern nicht funktionskritisch sind, aber die Gesamtmenge an Fasern reglementiert werden soll, die Basis für die Begrenzung des Gesamtfasereintrages bilden.
Die Gesamtfaserlänge ist die Gesamtlänge aller Fasern auf dem Analysefilter, also die Summe der gestreckten Länge aller Fasern.
Schädigungspotential von Fasern
Mechanische Schäden
Verklemmen und Blockieren: Fasern können sich in beweglichen Teilen von Maschinen und Geräten verfangen und deren Bewegung behindern. Dies kann zu erhöhtem Verschleiß und letztendlich zum Ausfall von Bauteilen führen.
Abrieb und Verschleiß: Fasern können als abrasive Partikel wirken und die Oberflächen von Bauteilen abreiben. Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß und kann die Lebensdauer der betroffenen Komponenten erheblich verkürzen.
Beeinträchtigung von Dichtungen: Fasern können in Dichtungen eindringen und deren Wirksamkeit beeinträchtigen. Dies kann zu Leckagen und dem Eindringen von Verunreinigungen führen, was die Funktionalität und Zuverlässigkeit von Systemen beeinträchtigt.
Verstopfung von Filtern und Düsen: Fasern können Filter und Düsen verstopfen, was zu einer verminderten Effizienz und möglichen Ausfällen von Systemen führt. Dies ist besonders kritisch in hydraulischen und pneumatischen Systemen, wo eine einwandfreie Funktion unerlässlich ist.
Elektrische und elektronische Schädigungspotentiale
Elektrische Kurzschlüsse: Fasern können im feuchten Zustand als leitende Brücken zwischen elektrischen Kontakten wirken und Kurzschlüsse verursachen. Dies kann zu Fehlfunktionen bis hin zum Ausfall elektronischer Bauteile führen.
Verkürzung der Luft- und Kriechstrecken: Fasern, die sich zwischen elektrischen Kontakten ablagern, können die Luft- und Kriechstrecken verkürzen. Dies erhöht das Risiko von elektrischen Durchschlägen und Kriechströmen, was die Zuverlässigkeit und Sicherheit von elektronischen Systemen beeinträchtigen kann.
Elektrische Isolation: Nicht-leitfähige Fasern können als Isolatoren wirken und die elektrische Verbindung zwischen Kontakten unterbrechen. Dies ist besonders kritisch bei Steckverbindungen und mechanischen Komponenten wie Relais und Schaltern.
Optische Beeinträchtigung: Fasern können die Funktion von lichtoptischen Bauteilen, wie z.B. Fototransistoren, beeinträchtigen, indem sie das Licht blockieren oder streuen.
Hygroskopische Eigenschaften: Einige Fasern, wie z.B. Papierfasern, können Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen und dadurch leitfähig werden. Dies kann zu unerwarteten Kurzschlüssen und anderen elektrischen Problemen führen.
Chemische Schädigungspotentiale
Korrosion: Einige Fasern, insbesondere solche aus organischen Materialien, können chemische Reaktionen mit den Oberflächen von Bauteilen eingehen und Korrosion verursachen. Dies kann die Integrität und Lebensdauer der betroffenen Komponenten erheblich beeinträchtigen.
Freisetzung von Schadstoffen: Organische Fasern können unter bestimmten Bedingungen zersetzt werden und dabei schädliche Substanzen freisetzen. Diese Substanzen können chemische Reaktionen mit den Materialien der Bauteile eingehen und deren Funktionalität beeinträchtigen.
Chemische Inkompatibilität: Fasern können chemisch inkompatibel mit den Materialien sein, mit denen sie in Kontakt kommen. Dies kann zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Bauteile verändern.
Veränderung der Materialeigenschaften: Fasern können Additive oder Weichmacher enthalten, die bei Kontakt mit Bauteilen migrieren und deren Materialeigenschaften verändern können. Dies kann zu einer Verschlechterung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Bauteile führen.
Maßnahmen zur Reduzierung des Schädigungspotentials
Präventive Maßnahmen
Um das Schädigungspotential von Fasern zu minimieren, sollten präventive Maßnahmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette ergriffen werden. Dazu gehört die Kontrolle der Sauberkeit in der Fertigung, die Verwendung von Reinräumen und die regelmäßige Reinigung von Arbeitsbereichen.
Analytische Methoden
Die Identifikation und Quantifizierung von Fasern kann durch verschiedene analytische Methoden erfolgen, wie z.B. Rasterelektronenmikroskopie (REM) für anorganische, Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) für organische Fasern sowie die lichtoptische Mikroskopie. Diese Methoden ermöglichen eine genaue Analyse der Faserbelastung und Kontaminationsquellen und helfen bei der Entwicklung gezielter Maßnahmen zur Reduzierung der Faserbelastung.
Fazit
Allgegenwärtige Fasern in der Produktionsumgebung stellen zunehmend ein ernst zu nehmendes Schädigungspotential im Bereich der Technischen Sauberkeit dar. Vor allem die Gesamtmenge der Fasern kann eher funktionskritisch sein als die einzelne Faser. Insbesondere luftgetragene Textilfasern lassen sich selbst in Sauber- und Reinräumen kaum vermeiden. Auch der hohe Aufwand und die Kosten für die Faservermeidung sind zu berücksichtigen. Durch gezielte Sauberkeitsvorgaben, Maßnahmen und kontinuierliche Überwachung können die Risiken jedoch minimiert werden.
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